專利名稱：一種交流電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電磁一體化的測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種交流電源。
技術(shù)背景 在交流應(yīng)用場合，大多數(shù)負(fù)載需要正弦波電源，隨著電力電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，使高頻正弦波輸出的電源能夠?qū)崿F(xiàn)。高頻正弦波電源在機械、輕工、節(jié)能、環(huán)保、醫(yī)療等方面有著廣泛的應(yīng)用，其中高精度高頻正弦波電源對工業(yè)測量用的傳感器尤為重要，可廣泛應(yīng)用于電磁壓力傳感器、電感傳感器、電容傳感器等，不僅能提高測量精度，而且能改善測量系統(tǒng)的性能和體積。為了保證測量精度，工業(yè)測量傳感器對正弦波電源的要求很高，一般要達(dá)到電壓輸出精度為5%。，正弦波失真度小于O. 1%，頻率最高達(dá)幾百KHz的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在廣泛使用的正弦波脈沖調(diào)制(SPWM)技術(shù)，使正弦波電源超著大容量、高效率、高性能、模塊化的方向發(fā)展。但隨著對正弦波電源高頻率和高精度的要求，正弦波脈沖調(diào)制(SPWM)技術(shù)就難以實現(xiàn)。因為隨著頻率和精度的要求越來越高，正弦波脈沖調(diào)制(SPWM)技術(shù)的載波比也就越大，但過大的載波比意味著極高的開關(guān)頻率，在高頻率應(yīng)用場合會帶來很大的開關(guān)損耗，甚至沒有器件可供選擇。這就給工業(yè)測量傳感器的實際應(yīng)用帶來了很大的困擾，在很大程度上限制了工業(yè)測量傳感器的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于解決上述技術(shù)問題，提供了一種應(yīng)用于工業(yè)測量電磁傳感器的交流電源。通過采用數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)，經(jīng)過兩次濾波、功率放大、兩路電壓反饋，從而保證電壓輸出精度和正弦波失真度，滿足工業(yè)測量傳感器的要求。一種交流電源，包括供電電源、控制系統(tǒng)、DDS電路、一次濾波電路、電壓放大電路、功率放大電路、二次濾波電路、隔離變壓器、取樣變壓器、電壓調(diào)理電路、輸入輸出設(shè)備、信號采集電路；供電電源為控制系統(tǒng)、DDS電路、一次濾波電路、電壓放大電路、功率放大電路、二次濾波電路、電壓調(diào)理電路、輸入輸出設(shè)備、信號采集電路提供電源；用戶通過輸入輸出設(shè)備設(shè)定正弦波，輸入輸出設(shè)備還顯示本實用新型的正弦波交流電源輸出電壓的信息，輸入輸出設(shè)備將用戶設(shè)定的正弦波信息輸出至控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的正弦波信息，向信號發(fā)生器DDS電路發(fā)送正弦波輸出指令，信號發(fā)生器DDS電路根據(jù)指令輸出用戶要求的正弦波信號，輸出至一次濾波電路；一次濾波電路對正弦波信號進(jìn)行濾波，濾波后的正弦波信號輸出至電壓放大電路；電壓放大電路對正弦波信號進(jìn)行電壓放大，放大后的正弦波信號輸入至功率放大電路，功率放大電路對正弦波信號進(jìn)行電流放大,經(jīng)過電壓放大和電流放大的正弦波信號輸出至二次濾波電路；其中，在電壓放大電路中，調(diào)理電路將正弦波反饋信號輸入至電壓放大電路，正弦波信號和正弦波反饋信號同時連接至電壓放大電路的同相輸入端，實現(xiàn)反饋；[0008]二次濾波電路對經(jīng)電壓電流放大的正弦波信號進(jìn)行二次濾波，二次濾波后的正弦波信號輸出至隔離變壓器；隔離變壓器的初級線圈連接二次濾波電路，第一次級線圈連接負(fù)載和取樣變壓器的初級線圈；取樣變壓器中次級線圈的同名端連接至電壓調(diào)理電路中放大器的反相輸入端，而次級線圈的異名端連接至電壓調(diào)理電路中放大器的同相輸入端，取樣變壓器采集的信號經(jīng)過電壓調(diào)理電路得到反相的正弦波反饋信號；該正弦波信號反饋到電壓放大電路；信號采集電路采集功率放大電路輸出的電壓，將得到的電壓采樣信號經(jīng)A/D采樣電路送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過增量式PID算法計算出控制量，根據(jù)控制量，控制系統(tǒng)輸出PWM信號，經(jīng)濾波電路得到直流信號，送給DDS發(fā)生器，實現(xiàn)調(diào)幅；所述的輸入輸出設(shè)備包括按鍵和液晶顯示屏，用戶可以通過按鍵設(shè)定正弦波的頻率、相位信息，液晶顯示屏顯示本發(fā)明的正弦波交流電源輸出電壓的輸出頻率、相位和幅值；本實用新型的優(yōu)點在于(I)本實用新型的一種交流電源，可以滿足工業(yè)測量傳感器所要求的輸出電壓精度高、正弦波失真度小，頻率能夠達(dá)到幾百KHz的要求；(2)本實用新型的一種交流電源，可以方便靈活地改變輸出頻率，滿足不同的需求；( 3 )本實用新型的電路設(shè)計簡單，制造成本低，適合大規(guī)模推廣使用。

圖I本實用新型提供的一種交流電源原理框圖；圖2本實用新型提供的一種交流電源硬件反饋電路圖；圖中I供電電源2控制系統(tǒng)3 DDS電路4 一次濾波電路5電壓放大電路 6 功率放大電路7 二次濾波電路8隔離變壓器9 取樣變壓器10 電壓調(diào)理電路 11 輸入輸出設(shè)備 12 負(fù)載13 信號采集電路101正弦波信號102 正弦波反饋信號 801 初級線圈802第一次級線圈 803 第二次級線圈 804 高頻磁芯901初級線圈902 次級線圈903 高頻磁芯
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實用新型提供了一種交流電源，如圖I所示，包括供電電源I、控制系統(tǒng)2、DDS電路3、一次濾波電路4、電壓放大電路5、功率放大電路6、二次濾波電路7、隔離變壓器8、取樣變壓器9、電壓調(diào)理電路10、輸入輸出設(shè)備11、信號采集電路13。供電電源I為控制系統(tǒng)2、DDS電路3、一次濾波電路4、電壓放大電路5、功率放大電路6、二次濾波電路7、電壓調(diào)理電路10、輸入輸出設(shè)備11、信號采集電路13提供電源。電路采用分離供電的方式，供電電源I為功率放大電路6提供±32V電源，為控制系統(tǒng)2、DDS電路3、輸入輸出設(shè)備11提供±5V電源,為一次濾波電路4、電壓放大電路5、二次濾波電路
7、電壓調(diào)理電路10、信號采集電路13提供±15V電源。輸入輸出設(shè)備11包括按鍵和液晶顯示屏，用戶可以通過按鍵設(shè)定正弦波的頻率、相位等信息，液晶顯示屏顯示本實用新型的正弦波交流電源輸出電壓的輸出頻率、相位和幅值等，輸入輸出設(shè)備11將用戶設(shè)定的正弦波信息輸出至控制系統(tǒng)2?？刂葡到y(tǒng)2采用AVR微控制器，控制系統(tǒng)2根據(jù)用戶設(shè)定的正弦波信息，通過SPI接口向信號發(fā)生器DDS電路3發(fā)送正弦波輸出指令，信號發(fā)生器DDS電路3根據(jù)指令輸出用戶所要求頻率、相位的正弦波信號，輸出至一次濾波電路4。一次濾波電路4為有源四階Sallen-Key拓?fù)涞陌吞匚炙沟屯V波和高通濾波組成，正弦波信號輸入至一次濾波電路4，一次濾波電路4降低正弦波信號的雜散，使波形更干凈，同時濾掉其含有的直流電壓，濾波后的正弦波信號101輸出至電壓放大電路5。 如圖2所示，電壓放大電路5對正弦波信號101進(jìn)行電壓放大，放大后的正弦波信號101輸入至功率放大電路6，功率放大電路6對正弦波信號101進(jìn)行電流放大，電壓放大和電流放大是為了滿足用戶對輸出電壓和功率的要求，功率放大電路6根據(jù)功率和頻率等條件可以選擇功率放大芯片或分立元件的功率放大電路，為了維護功率放大電路工作的穩(wěn)定性，需要一條從功率放大電路輸出反饋到輸入的反饋回路。經(jīng)過電壓放大和電流放大的正弦波信號101輸出至二次濾波電路7。其中，在電壓放大電路5中，調(diào)理電路10將正弦波反饋信號102輸入至電壓放大電路5，正弦波信號101和正弦波反饋信號102同時通過電阻連接至電壓放大電路5的同相輸入端，由于正弦波信號101和正弦波反饋信號102相位差180°，所以相當(dāng)于兩信號做減法，從而實現(xiàn)反饋。如圖2所示，二次濾波電路7由肖特基二極管、電感、電容組成，其連接方式見圖2中二次濾波電路7框圖。二次濾波電路7對經(jīng)電壓電流放大的正弦波信號101進(jìn)行二次濾波，減弱功率放大后的正弦波信號101波形的畸變，滿足正弦波失真度的要求，二次濾波后的正弦波信號101輸出至隔離變壓器8。如圖2所示，隔離變壓器8由高頻磁芯804、初級線圈801、第一次級線圈802、第二次級線圈803組成，隔離變壓器8采用PCB型平面變壓器的方式，初級線圈801、第一次級線圈802、第二次級線圈803分別印制在3層PCB的不同層上，然后疊放在高頻磁芯804上。初級線圈801連接二次濾波電路7，初級線圈801與次級線圈802的匝數(shù)比由負(fù)載12要求的電壓決定，初級線圈801與次級線圈803的匝數(shù)比為10 :1。第一次級線圈802連接負(fù)載8和取樣變壓器9的初級線圈901，這樣不僅實現(xiàn)了供電電源I與負(fù)載12的電氣隔離作用，而且可以實時獲取所述正弦波交流電源的輸出電壓。次級線圈802還為工業(yè)測量傳感器后續(xù)的信號處理電路提供了一個同步信號。本實用新型中的電壓反饋部分如圖I和圖2所示，采用了兩路電壓反饋。一路是取樣變壓器9，另一路為信號采集電路13。取樣變壓器9由高頻磁芯903、初級線圈901、次級線圈902組成，取樣變壓器9采用PCB型平面變壓器的方式，初級線圈901和次級線圈902分別印制在2層PCB的不同層上，然后疊放在高頻磁芯903上。初級線圈901與次級線圈902的匝數(shù)比為5 :2，通過取樣變壓器9可以實時地獲取由于負(fù)載12變化而引起的功率放大電路6輸出電壓的變化。次級線圈901的同名端連接至電壓調(diào)理電路10中放大器的反相輸入端，而次級線圈901的異名端連接至電壓調(diào)理電路10中放大器的同相輸入端，利用輸入電阻和反饋電阻的比值調(diào)整取樣信號，這樣取樣變壓器9采集的信號經(jīng)過電壓調(diào)理電路10就得到反相的-15V +15V的正弦波反饋信號102。正弦波信號102反饋到電壓放大電路5，用于調(diào)節(jié)由于負(fù)載12變化而引起的所述正弦波交流電源輸出電壓的變化。信號采集電路13采用真有效值檢測芯片采集功率放大電路6輸出的電壓，將得到的電壓采樣信號經(jīng)A/D采樣電路送到控制系統(tǒng)2，控制系統(tǒng)2經(jīng)過增量式PID算法計算出控制量，根據(jù)控制量控制系統(tǒng)2輸出PWM信號經(jīng)濾波電路得到直流信號送給DDS發(fā)生器3，實現(xiàn)調(diào)幅。通過這兩路電壓反饋，本實用新型的一種中小功率高精度高頻正弦波交流電源能夠?qū)崿F(xiàn)電壓輸出精度為5%。的要求，完全滿足工業(yè)測量傳感器對正弦波電源的要求。由于電源頻率高，隔離變壓器8和取樣變壓器9采用PCB型平面變壓器的方式，可以顯著降低變壓器的高度，減小變壓器的體積和重量，提高變壓器的功率密度，實現(xiàn)電源裝 置“輕、小、薄”。高頻磁芯804和高頻磁芯903由專業(yè)生產(chǎn)高頻磁芯的廠家制作。功率放大電路6盡量安排電路板邊緣靠近機箱，可以通過金屬機箱散熱。本實用新型的控制系統(tǒng)2通過數(shù)據(jù)線向信號發(fā)生器DDS電路3發(fā)送輸出波形、頻率、相位等指令，信號發(fā)生器DDS電路3根據(jù)指令輸出所要求頻率相位的正弦波。該正弦波經(jīng)過一次濾波電路4、電壓放大電路5、功率放大電路6、二次濾波電路7和隔離變壓器8輸出給負(fù)載12。為了保證正弦波失真度，本實用新型采用了兩次濾波電路。第一次濾波電路是濾除DDS輸出信號的諧波成分和直流成分。第二次濾波電路是濾除由于功率放大電路6和負(fù)載12所引起的波形畸變，保證失真度。為了保證電壓輸出精度，本實用新型采用了兩路電壓反饋，一路電壓反饋通過硬件實現(xiàn)，經(jīng)隔離變壓器8、取樣變壓器9、電壓調(diào)理電路10得到的信號反饋到電壓放大電路5，這種反饋是實時的，調(diào)節(jié)余量大，屬于粗調(diào)。另一路電壓反饋通過軟件實現(xiàn)，通過信號采集電路13得到的電壓采樣信號經(jīng)A/D電路送到控制系統(tǒng)2，控制系統(tǒng)2經(jīng)過增量式PID算法計算出控制量，通過控制系統(tǒng)的PWM功能經(jīng)濾波電路得到直流信號送給DDS電路3，實現(xiàn)調(diào)幅，這種反饋是數(shù)字調(diào)節(jié)，很精確，調(diào)節(jié)范圍小，屬于細(xì)調(diào)。
權(quán)利要求1.一種交流電源，其特征在于，包括供電電源、控制系統(tǒng)、DDS電路、一次濾波電路、電壓放大電路、功率放大電路、二次濾波電路、隔離變壓器、取樣變壓器、電壓調(diào)理電路、輸入輸出設(shè)備、信號采集電路； 供電電源為控制系統(tǒng)、DDS電路、一次濾波電路、電壓放大電路、功率放大電路、二次濾波電路、電壓調(diào)理電路、輸入輸出設(shè)備、信號采集電路提供電源；用戶通過輸入輸出設(shè)備設(shè)定正弦波，輸入輸出設(shè)備還顯示本發(fā)明的正弦波交流電源輸出電壓的信息，輸入輸出設(shè)備將用戶設(shè)定的正弦波信息輸出至控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的正弦波信息，向信號發(fā)生器DDS電路發(fā)送正弦波輸出指令，信號發(fā)生器DDS電路根據(jù)指令輸出用戶要求的正弦波信號，輸出至一次濾波電路； 一次濾波電路對正弦波信號進(jìn)行濾波，濾波后的正弦波信號輸出至電壓放大電路；電壓放大電路對正弦波信號進(jìn)行電壓放大，放大后的正弦波信號輸入至功率放大電路，功率放大電路對正弦波信號進(jìn)行電流放大，經(jīng)過電壓放大和電流放大的正弦波信號輸出至二次濾波電路；其中，在電壓放大電路中，調(diào)理電路將正弦波反饋信號輸入至電壓放大電路，正弦波信號和正弦波反饋信號同時連接至電壓放大電路的同相輸入端，實現(xiàn)反饋； 二次濾波電路對經(jīng)電壓電流放大的正弦波信號進(jìn)行二次濾波，二次濾波后的正弦波信號輸出至隔離變壓器；隔離變壓器的初級線圈連接二次濾波電路，第一次級線圈連接負(fù)載和取樣變壓器的初級線圈；取樣變壓器中次級線圈的同名端連接至電壓調(diào)理電路中放大器的反相輸入端，而次級線圈的異名端連接至電壓調(diào)理電路中放大器的同相輸入端，取樣變壓器采集的信號經(jīng)過電壓調(diào)理電路得到反相的正弦波反饋信號；該正弦波信號反饋到電壓放大電路； 信號采集電路采集功率放大電路輸出的電壓，將得到的電壓采樣信號經(jīng)A/D采樣電路送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過增量式PID算法計算出控制量，根據(jù)控制量，控制系統(tǒng)輸出PWM信號，經(jīng)濾波電路得到直流信號，送給DDS發(fā)生器，實現(xiàn)調(diào)幅； 所述的輸入輸出設(shè)備包括按鍵和液晶顯示屏，用戶可以通過按鍵設(shè)定正弦波的頻率、相位信息，液晶顯示屏顯示本發(fā)明的正弦波交流電源輸出電壓的輸出頻率、相位和幅值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種交流電源，其特征在于，所述的電路采用分離供電的方式，供電電源為功率放大電路提供±32V電源，為控制系統(tǒng)、DDS電路、輸入輸出設(shè)備提供±5V電源，為一次濾波電路、電壓放大電路、二次濾波電路、電壓調(diào)理電路、信號采集電路提供±15V電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種交流電源，其特征在于，所述的一次濾波電路為有源四階Sallen-Key拓?fù)涞陌吞匚炙沟屯V波和高通濾波組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種交流電源，其特征在于，所述的隔離變壓器由高頻磁芯、初級線圈、第一次級線圈、第二次級線圈組成，隔離變壓器采用PCB型平面變壓器的方式，初級線圈、第一次級線圈、第二次級線圈分別印制在3層PCB的不同層上，然后疊放在高頻磁芯上；初級線圈與次級線圈的匝數(shù)比由負(fù)載要求的電壓決定，初級線圈與次級線圈的匝數(shù)比為10 1 ;次級線圈為工業(yè)測量傳感器后續(xù)的信號處理電路提供一個同步信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種交流電源，其特征在于，所述的取樣變壓器由高頻磁芯、初級線圈、次級線圈組成，取樣變壓器采用PCB型平面變壓器的方式，初級線圈和次級線圈分別印制在2層PCB的不同層上，然后疊放在高頻磁芯上；初級線圈與次級線圈的匝數(shù)比為5:2，通過取樣變壓器實時地獲取由于負(fù)載變化而引起的功率放大電路輸出電壓的變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種交流電源，其特征在于，所述的功率放大電路的電路板邊緣靠近機箱，能夠通過金屬機箱散熱。
專利摘要本實用新型公開了一種交流電源，包括供電電源、控制系統(tǒng)、DDS電路、一次濾波電路、電壓放大電路、功率放大電路、二次濾波電路、隔離變壓器、取樣變壓器、電壓調(diào)理電路、輸入輸出設(shè)備、信號采集電路；本實用新型的交流電源，可以滿足工業(yè)測量傳感器所要求的輸出電壓精度高、正弦波失真度小，頻率能夠達(dá)到幾百KHz的要求。本實用新型的正弦波交流電源，可以方便靈活地改變輸出頻率，滿足不同的需求；本實用新型的電路設(shè)計簡單，制造成本低，適合大規(guī)模推廣使用。
文檔編號H01F30/06GK202713167SQ20122038924
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月7日
發(fā)明者高增雪, 趙宏, 邱忠義, 鄒鳳欣, 由菁菁 申請人:北京金自天正智能控制股份有限公司